應(yīng)用于紅外焦平面銦柱互連的封裝技術(shù)

李金健

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 引言

自20世紀(jì)70年代以來，紅外焦平面的發(fā)展非常迅速，其規(guī)模從單元探測器發(fā)展到多元、線列和面陣，目前已成為紅外科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。當(dāng)今的紅外焦平面技術(shù)已發(fā)展成為集紅外材料、光學(xué)、制冷、硅微機械加工和微電子集成電路設(shè)計于一體的高科技綜合技術(shù)。在紅外焦平面探測器陣列銦柱制備、銦柱互連技術(shù)、紅外焦平面陣列性能參數(shù)測試等方面國內(nèi)也有所研究。紅外焦平面陣列作為紅外成像的核心部件，包括探測器及讀出電路，通過倒裝焊的封裝方式將其重要組成部分的探測器和讀出電路互連起來。所謂倒裝即是將器件直接倒扣到其對應(yīng)的基板上，從而實現(xiàn)電氣的互連。倒裝焊中凸點的制作方法主要包括：引線鍵合方法、電鍍方法、化鍍方法等。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 銦柱的制備

銦柱的工藝要求為：薄膜厚度分布的均勻性不低于95%，銦膜要有適當(dāng)?shù)暮穸?，合理的銦柱高寬比（一般?.5∶1），優(yōu)選矩形截面，中心間距100μ m。以滿足做成銦柱后可倒裝互連的要求[1]。對銦柱的制備要求銦柱高度大于7μm、表面光滑、不易氧化、銦膜粘著力強[2]。為達到這些要求，通常會從銦原材料的選擇、制備工藝、均勻性及黏附性等方面去考量。銦柱的制作過程如圖1所示。

2.2 倒裝焊技術(shù)

倒裝焊主要類型包括：直接芯片連接技術(shù)和可空塌陷芯片互連技術(shù)[3]。直接芯片互連技術(shù)可以用現(xiàn)有的表面貼裝設(shè)備及工藝來完成，并不需要太高的回流溫度，對于組裝的實現(xiàn)要容易許多。對于倒裝焊接，設(shè)備對準(zhǔn)的精度和焊料的材料選擇很重要。倒裝芯片結(jié)構(gòu)通常包括：IC、UBM、凸點組成[6]。Under-Bump-Metallization（UBM）起到黏附及擴散阻擋的作用，UBM包括Ni/Au、Ni/Pd、Ni/Pd/Au，UBM通?？梢酝ㄟ^化鍍形成。

對于紅外焦平面銦柱的倒裝目前主要的連接方式為先在基板上印刷助焊劑（flux），再將上層芯片倒置在基板上，然后通過紅外回流的方式實現(xiàn)其電性的互連。助焊劑目前主要分為固體、液體和氣體三種形態(tài)。助焊劑的作用主要包括輔助熱傳導(dǎo)、去除氧化物、降低被焊接材質(zhì)表面張力、去除被焊接材質(zhì)表面油污、增大焊接面積、防止再氧化等幾個方面。在這幾個方面中比較關(guān)鍵的作用有兩個是去除氧化物與降低被焊接材質(zhì)表面張力。

為提高互連的可靠性，避免凸點因受力不均勻而造成機械損傷甚至斷裂，通常需要在凸點結(jié)合處填充一種保護材料：under fill。under fill材料主要原材料是高純度液態(tài)樹脂，這種材料主要用于降低圓片凸塊的應(yīng)力，保護凸塊與UBM的結(jié)合處，提高產(chǎn)品的可靠性。當(dāng)這種underfill材料熱固化后，可以形成一層低熱膨脹系數(shù)的堅硬塑料層。如圖2所示，在互連凸點處填充部分為under fill材料。這樣可以較好地增加結(jié)合處的焊接強度，提高焊接可靠性。

2.3 互連可靠性的評定

互連的可靠性程度將直接決定紅外器件的電性能及圖形成像質(zhì)量。對于倒裝焊接，由于硅片、凸點及基板等材料之間熱膨脹系數(shù)的差異，極易造成焊料凸點跟焊盤之間的機械損傷，從而導(dǎo)致器件失效。因而焊料凸點的連接可靠性顯得尤為重要。這需要考慮材料膨脹系數(shù)的匹配性、器件使用環(huán)境的差異、材料的選擇、組裝工藝的優(yōu)化等。同時，互連器件的對準(zhǔn)精度也是影響可靠性的一個因素，設(shè)備工藝的調(diào)試，設(shè)備的能力優(yōu)化也至關(guān)重要。需要選擇符合該互連所必需精度的設(shè)備來配合。

3 存在的問題及解決構(gòu)想

對于紅外焦平面的互連，銦柱的制備、銦柱的工藝尤為重要。只有銦柱的工藝制備達到相應(yīng)的工藝要求，符合相應(yīng)的條件；同時采用的倒裝焊封裝方式優(yōu)化到合理的工藝，材料的選擇合理；設(shè)備的精度滿足工藝要求，設(shè)備調(diào)試優(yōu)化至合理的工藝窗口等，才可以較好的實現(xiàn)銦柱互連的穩(wěn)定及可靠。對于倒裝焊的優(yōu)化，設(shè)備精度的配備，包括焊點位置的對準(zhǔn)，焊料材料的選擇，回流工藝的優(yōu)化等，這一系列都需要在實際的生產(chǎn)過程中通過大量的優(yōu)化調(diào)試、選擇來得到合適的工藝條件，為紅外焦平面的銦柱互連提供部分幫助。

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